系统设计中的设计原则

引言

系统设计概念用于创建健壮、可扩展和高效的系统。这些概念涵盖广泛的主题，包括抽象、封装、模块化和关注点分离。为了提供灵活性和易于维护性，模块化鼓励将大型复杂系统划分为更小、更易于管理的组件。封装通过阻止内部组件细节被外界看到，鼓励信息隐藏并提高系统安全性。通过突出关键元素并隐藏实现细节，抽象降低了系统的复杂性。关注点分离通过清晰地定义各个组件必须扮演的角色，有助于减少依赖并促进模块化设计。这些指导原则帮助系统设计人员构建灵活、可维护且能够抵御变化的架构。

使用完全托管服务并简化您的设计

在系统设计方面，简单性至关重要。如果您的架构过于复杂以至于难以理解，那么它的实现和长期管理将充满挑战。在实际可行的情况下，采用完全托管服务，以减少基线系统管理和维护所涉及的风险、时间和工作。

如果您的工作负载当前正在生产中运行，请尝试使用托管服务来确定它们是否可以帮助您减少操作复杂性。如果您正在创建新的工作负载，请尽早制作最小可行产品 (MVP)，并避免过度工程。通过识别和迭代不寻常的用例，您的系统可以随着时间的推移逐步改进。

分离您的架构组件

解耦是一种策略，可帮助您将应用程序和服务组件分解为更易于管理、独立的部件。一种解决方案是将单体应用程序堆栈划分为独立的服​​务组件。无论依赖关系如何，应用程序都可以在解耦设计下独立运行。

通过解耦架构，您可以更自由地执行以下操作：

1. 使用单独的更新。
2. 实施专门的安全措施。
3. 为每个子系统的可靠性设定预期。
4. 跟踪您的健康状况。
5. 精细控制性能和成本方面。
6. 解耦可以在系统更新时随规模扩展而实施，也可以在设计过程的早期开始。

在系统设计中，一些最广泛使用的设计原则是

• 关注点分离
• 封装和抽象
• 松耦合和高内聚
• 可扩展性和性能
• 容错能力
• 安全和隐私

关注点分离

关注点分离（SoC）是一种设计理念，它强调将复杂的系统分割成独立且易于管理的部分，每个部分都处理特定的任务或元素。这种划分使系统设计更清晰、更易于维护和灵活。

一个例子是模型-视图-控制器 (MVC) 架构范式，它经常用于 Web 开发。在 MVC 中，控制器充当中介，处理用户输入并根据需要修改模型或视图。模型表示数据和业务逻辑，而视图表示用户界面。由于这些问题是独立的，开发人员可以更改或替换系统的一个部分而不会影响其他部分，这使得管理更容易，对更改也更灵活。

同样，在软件工程中，将数据操作、用户界面和输入/输出过程等职责分开，可以更好地组织代码并促进开发人员协作。因此，代码库变得更简洁、更模块化、更易于理解、调试和随着时间的推移进行扩展。每个模块或组件都可以专注于其作用。

封装和抽象

封装和抽象是两个基本的面向对象编程概念，有助于创建可靠和可维护的系统。

数据和操作方法被捆绑成一个称为类或封装的单一单元。通过隐藏实现细节并仅通过定义良好的接口公开基本功能，此封装单元管理对其数据的访问。这促进了数据完整性，并通过阻止外部干扰改变对象的内部状态来降低意外更改的可能性。

另一方面，抽象涉及通过强调关键组件和隐藏非必要方面来简化复杂系统。开发人员使用抽象来构建只捕获真实世界对象或概念的相关特征和行为的模型。这使开发人员摆脱了实现细节的负担，因此他们可以在更高级别的概念上工作。通过促进模块化架构和降低复杂性，抽象提高了代码的可读性、可伸缩性和可维护性。封装和抽象协同工作，使创建灵活、适应性强且易于理解、扩展和修改的软件系统变得更加容易。

封装和抽象协同工作，以开发模块化、灵活的系统，这些系统即使随着时间的推移而变化，也具有弹性和效率。

松耦合和高内聚

对于软件工程来说，模块化、可管理和可扩展，松耦合和高内聚是必不可少的设计原则。

将系统模块或组件之间的依赖关系保持在最低限度，称为松耦合。它允许组成部分独立运行，几乎不需要了解彼此的内部操作。灵活性得到提高，因为更新、测试和维护变得更容易。毕竟，对一个组件的修改几乎不会影响其他组件。

相反，高内聚是指确保模块的所有组件都紧密连接并专注于一项任务或职责。这个想法通过逻辑和内聚地组织代码来促进重用、可维护性和清晰度。内聚模块表现出强大的内部一致性和明确、定义明确的目标。

开发人员可以通过遵循松耦合和高内聚来设计足够灵活的系统，以适应不断变化的需求，易于随着时间的推移进行扩展和维护，并且能够抵御变化。

可扩展性和性能

性能和可扩展性是系统设计时要考虑的重要因素，尤其是在当代计算环境中，应用程序必须有效地管理不断增长的工作负载。

可扩展性是系统在不损害性能或可靠性的情况下进行扩展的能力，无论是通过用户、数据量还是事务速率的增加。垂直可扩展性涉及提高现有资源的能力，而水平可扩展性涉及添加更多资源（例如服务器）来分担负载。

相反，性能关注系统对用户请求的响应程度以及在规定时间内完成其职责的程度。这考虑了吞吐量、响应时间和资源利用率等因素。各种策略，例如有效的算法、缓存、负载平衡和数据库优化，都用于最大限度地提高性能。

在系统设计中，性能优化和可扩展性是相辅相成的。开发人员能够通过利用性能增强技术和可扩展架构来创建可以管理不断增长的需求同时提供可靠和响应迅速的用户体验的系统。

弹性和容错能力

在系统设计中，弹性和容错能力是基本特征，特别是对于需要高可用性和可靠性的应用程序。

“弹性”一词描述了系统承受挫折或中断并快速恢复的能力，从而确保持续运行和对用户的影响最小。为了防止连锁反应，系统必须设计成能够识别错误、隔离错误并动态适应不断变化的情况以保持功能。

相反，容错能力是指构建系统使其即使出现错误或故障也能正常运行的过程。为此，使用了冗余、复制以及主动错误检测和恢复技术。即使面对逆境，容错系统也能够通过预测和避免可能的故障情况来保持数据完整性和服务可用性。

弹性和容错能力协同工作，以保持系统稳定性和不间断运行，从而使应用程序即使面对不可预见的困难或中断也能继续提供一致的用户体验和性能。

隐私和安全

在设计系统时，必须优先考虑隐私和安全性，以保护敏感数据并赢得用户信任。

保护个人信息免受未经授权的访问、使用或披露被称为隐私。系统设计人员必须纳入数据加密、访问控制和匿名化方法等保护措施，以确保用户保持对其个人数据的控制，并按照相关的隐私法律对其进行管理。

相反，安全性包括针对各种威胁的更全面的防御，例如恶意攻击、数据泄露和系统漏洞。这需要实施强大的身份验证程序、防火墙、入侵检测系统和频繁的安全审计，以防止未经授权的访问、识别异常并有效地处理安全事件。

开发人员可以通过在系统设计中优先考虑隐私和安全性来最大限度地降低风险、保护用户数据并维护其应用程序的完整性和可靠性。这促进了满意的用户和持久的客户关系。

结论

封装、抽象、松耦合和高内聚是系统设计的一些概念，有助于构建模块化、可扩展和可维护的系统。除了考虑容错能力、可扩展性、性能、弹性、隐私和安全性之外，这些原则还确保系统满足用户期望，同时足够可靠和灵活以满足不断变化的需求。通过遵循这些指导方针并考虑这些因素，开发人员可以创建可靠、强大的系统，提供出色的用户体验并能够处理当代计算环境的需求。